修改-第八章 平面鋼閘門 (NXPowerLite)

第八章平面鋼閘門

第一節(jié)概述一、閘門的類型

閘門的類型較多，一般可按閘門的工作性質(zhì)、設置部位及結(jié)構(gòu)形式等加以分類。1、按閘門的工作性質(zhì)可分為：工作閘門、事故閘門、檢修閘門和施工期導流閘門。2、按閘門設置的部位可分為：⑴露頂式閘門：設置在開敞式泄水孔口，當閘門關(guān)閉孔口擋水時，其門葉頂部高于擋水水位，并需設置三邊止水。⑵潛孔式閘門：設置在潛沒式泄水孔口，當閘門關(guān)閉孔口擋水式，其門葉頂部低于擋水水位，需要設置頂部、兩側(cè)和底緣四邊止水。3、按閘門的結(jié)構(gòu)型式和構(gòu)造特征可分為：⑴平面形門葉鋼閘門：系指擋水面板形狀為平面的一類鋼閘門。根據(jù)門葉結(jié)構(gòu)的運移方式又可分為：直升式平面閘門、升臥式平面閘門、橫拉式平面閘門（船閘中采用）、繞豎軸轉(zhuǎn)動的平面形閘門（如船閘中的人字門和一字門）及繞橫軸轉(zhuǎn)動的平面形閘門（如翻板閘門、舌瓣閘門和蓋板閘門）等。⑵弧形閘門：系指擋水面板形狀為圓弧形的一類鋼閘門。又可分為繞橫軸轉(zhuǎn)動的弧形閘門（如正向弧形閘門、反向弧形閘門和下沉式弧形閘門）和繞豎軸轉(zhuǎn)動的立軸式弧形閘門（如船閘中的三角門）等。本章主要介紹直升式平面鋼閘門。二、閘門的型式和孔口尺寸三、閘門結(jié)構(gòu)設計的基本要求

1、閘門結(jié)構(gòu)的計算方法

《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》（SL74-95）規(guī)定鋼閘門結(jié)構(gòu)采用容許應力法進行結(jié)構(gòu)驗算。

2、結(jié)構(gòu)分析方法⑴按平面體系設計法：可采用手算，簡單易行，但不太精確。⑵按空間體系設計法：可采用有限元法（FEM）分析，較合理。平面鋼閘門的工程實例

平面鏈輪式鋼閘門人字形鋼閘門的工程實例弧形鋼閘門的工程實例

第二節(jié)平面鋼閘門的組成和結(jié)構(gòu)布置

一、平面鋼閘門的組成平面鋼閘門是由活動的門葉結(jié)構(gòu)、埋固構(gòu)件和啟閉機械三部分組成。（一）門葉結(jié)構(gòu)的組成門葉結(jié)構(gòu)是用來封閉和開啟孔口的活動擋水結(jié)構(gòu)。由門葉承重結(jié)構(gòu)、行走支承以及止水和吊具等組成。

1、平面鋼閘門的承重結(jié)構(gòu)平面鋼閘門的承重結(jié)構(gòu)，一般由鋼面板、梁格及縱、橫向聯(lián)結(jié)系組成。⑴面板是用來擋水，直接承受水壓并傳給梁格。面板通常設在閘門的上游面，這樣可以避免梁格和行走支承浸沒于水中而積聚污物，也可以減小因門底過水而產(chǎn)生的振動。⑵梁格由互相正交的梁系（水平次梁（包括頂、底次梁）、豎直次梁、主梁和邊梁等）所組成，用來支承面板并將面板傳來的全部水壓力傳給支承邊梁，然后通過設置在邊梁上的行走支承把閘門上的水壓力傳給閘墩。

⑶橫向聯(lián)結(jié)系（又稱豎向聯(lián)結(jié)系）布置在垂直于閘門跨度方向的豎直平面內(nèi)，以保證閘門橫截面的剛度，使門頂和門底不致產(chǎn)生過大的變形。其主要承受由頂梁、底梁和水平次梁傳來的水壓力并傳給主梁。其形式主要有實腹隔板式和桁架式。

⑷縱向聯(lián)結(jié)系（又稱門背聯(lián)結(jié)系或起重桁架）布置在閘門下游面主梁（或主桁架）的下翼緣（或下弦桿）之間的縱向豎直平面內(nèi)，承受閘門部分自重和其它豎向荷載，并可增強閘門縱向豎平面的剛度；當閘門受雙向水頭時還能保證主梁的整體穩(wěn)定性（當閘門承受反向水頭時，主梁下翼緣受壓）。

2、行走支承平面鋼閘門的行走支承（又稱支承移動部件）應保證既能將閘門所受的全部水平荷載安全地傳遞給閘墩，又應保證閘門能沿門槽上下順利移動，并減小閘門移動時的摩擦阻力。行走支承包括主行走支承（主輪或主滑塊）、側(cè)向支承（側(cè)輪）及反向支承（反輪）裝置三部分。

3、止水：為了防止閘門漏水而固定在門葉周邊的橡膠止水。

4、吊具：系用來連接閘門啟閉機的牽引構(gòu)件。（二）埋固構(gòu)件

平面閘門的固定埋設部件一般包括：⑴主輪或主滑道的軌道，簡稱主軌；⑵側(cè)輪和反輪的軌道，簡稱側(cè)軌和反軌；⑶止水埋件，頂止水埋件簡稱門楣，底止水埋件簡稱底坎；⑷門槽護角、護面和底檻，用以保護混凝土不受漂浮物的撞擊、泥砂磨損和氣蝕剝落。

閘門擋水時所受的水壓力在閘門上的傳力路徑：水平次梁水平水壓力面板（齊平連接時）豎直次梁主梁邊梁主輪（或主滑塊）主軌道混凝土閘墩應熟悉閘門結(jié)構(gòu)的傳力路徑，以掌握閘門各種構(gòu)件的受力情況并能正確確定各承重構(gòu)件的計算簡圖。（三）閘門的啟閉機械

常用的閘門啟閉機有卷揚式、螺桿式和液壓式三種。它們又可分為固定式和移動式兩類。二、平面鋼閘門的結(jié)構(gòu)布置

布置內(nèi)容：確定閘門上需要設置的構(gòu)件、每種構(gòu)件需要的數(shù)目以及每個構(gòu)件的所在位置。應統(tǒng)籌考慮、全面安排并進行必要的方案比較后最終確定。（一）主梁的布置

1、主梁的數(shù)目主梁是閘門的主要承重部件。主梁的數(shù)目主要取決于閘門的尺寸和水頭的大小。平面閘門按主梁的數(shù)目可分為雙主梁式和多主梁式。建議當閘門的跨高比L/H≥1.2時，采用雙主梁；而當閘門的跨高比L/H≤1.0時，采用多主梁。在大跨度的露頂式閘門中常采用雙主梁。

2、主梁的位置主梁位置的確定應考慮下列因素：⑴主梁宜按等荷載要求布置，可使每根主梁所需的截面尺寸相同，便于制造；⑵主梁間距應適應制造、運輸和安裝的條件；⑶主梁間距應滿足行走支承布置的要求；⑷底主梁到底止水距離應符合底緣布置的要求。

對于實腹式主梁的工作閘門和事故閘門，一般應使底主梁的下翼緣到底止水邊緣連線的傾角不應小于30。（圖8-3、圖8-4），以免啟門時水流沖擊底主梁和在底主梁下方產(chǎn)生負壓，而導致閘門振動。當閘門支承在非水平底檻上時，該角度可適當增減，當不能滿足30。要求時，應對門底部采取補氣措施。部分利用水柱閉門的平面閘門，其上游傾角不應小于45。，宜采用60。（見圖8-3）。如圖8-4，雙主梁式閘門的主梁位置應對稱于靜水壓力合力P的作用線，在滿足上述底緣布置要求的前提下，兩主梁的間距b宜盡量大些，并注意上主梁到門頂?shù)木嚯xC不宜太大，一般不超過0.45H，且不宜大于3.6米。

多主梁式閘門的主梁位置，可根據(jù)各主梁等荷載的原則確定。具體做法有圖解法和數(shù)解法兩種。下面按數(shù)解法進行介紹。假定水面至門底的距離為H，主梁的數(shù)目為n，第k（k=1，2，…，n）根主梁至水面的距離為yk，對于露頂門（圖8-5a）有（8-1）

對于潛孔式閘門（圖8-5b）有（8-2）式中a---水面至門頂止水的距離。（二）梁格的布置型式

梁格的布置應考慮鋼面板厚度的經(jīng)濟合理性和梁格制造省工等要求，盡量使面板各區(qū)格的計算厚度接近相等，并使面板和梁格的總用鋼量最少。閘門的梁格布置可分為以下三種型式。

⑴簡式梁格（圖8-6a）在主梁之間不設次梁，面板直接支承在主梁上，面板上的水壓力直接通過主梁傳給兩側(cè)的邊梁。⑵普通式梁格（圖8-6b）由水平主梁、豎直次梁和邊梁組成。⑶復式梁格（圖8-6c）由水平主梁、豎直次梁、水平次梁和邊梁組成。普通式梁格和復式梁格的面板均為四邊支承板。（三）梁格連接型式

如圖8-7所示，梁格的連接型式有如下三種型式。

⑴齊平連接

即水平次梁、豎直次梁和主梁的前翼緣表面齊平，都直接與面板相連，又稱為等高連接。

⑵降低連接

即主梁和水平次梁直接與面板相連，而豎直次梁則離開面板降低到水平次梁下游，這樣水平次梁可以在面板與豎直次梁間穿過而成為連續(xù)梁。⑶層疊連接

即水平次梁和豎直次梁直接與面板相連，主梁放在豎直次梁后面。由于該連接型式使得閘門的整體剛度和抗振性能有所削弱，且增大了閘門的總厚度，故在平面閘門中現(xiàn)已很少采用。

（四）邊梁的布置邊梁的截面型式有單腹式（圖8-8a）和雙腹式（圖8-8b）兩種。

單腹式邊梁構(gòu)造簡單，便于與主梁相連接，但抗扭剛度差，這對于閘門因彎曲變形、溫度脹縮及其它力作用而在邊梁中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的情況是不利的。單腹式邊梁主要用于滑道式支承的閘門。

雙腹式邊梁的抗扭剛度大，也便于設置滾輪和吊軸，但構(gòu)造復雜且用鋼量較多，截面內(nèi)部的焊接也較困難。雙腹式邊梁廣泛用于定輪閘門中。

第三節(jié)平面鋼閘門的結(jié)構(gòu)設計

一、鋼面板的設計

面板的工作情況及承載能力：

對于四邊固定支承的面板（圖8-9），根據(jù)理論分析和實驗研究，在均布荷載作用下最大彎矩出現(xiàn)在面板支承長邊的中點A處。但是當該點的應力達到所用鋼材的屈服點fy時，面板的承載能力還遠遠沒有耗盡，隨著荷載的增加，支承邊上其它各點的彎矩都隨之增加，而使面板上、下游面逐步達到屈服點，此時，面板仍然能夠承受繼續(xù)增大的荷載。試驗表明，當荷載增加到設計荷載（A點屈服時）的（3.5~4.5）倍時，面板跨中部分才進入彈塑性階段。這說明面板在使用過程中有很大的強度儲備。因此，在強度計算中，容許面板在高峰應力（點A）附近的局部小范圍進入彈塑性階段工作，故可將面板的容許應力[σ]乘以大于1的彈塑性調(diào)整系數(shù)α予以提高。（一）初選面板厚度t

鋼面板是支承在梁格上的彈性薄板，在靜水壓力作用下，面板的應力由兩部分組成：(1)局部彎曲應力，即矩形薄板本身的彎曲應力；(2)整體彎曲應力，即面板兼作主（次）梁翼緣參與梁系彎曲的整體彎應力。初選面板厚度時，由于主（次）梁的截面尚未確定，面板參與主（次）梁的整體彎應力尚未求得，故面板的厚度可先按面板支承長邊中點A的最大局部彎曲應力強度條件初步計算（如圖8-9所示）k—彈性薄板支承長邊中點（A點）的彎應力系數(shù)。

p–面板計算區(qū)格中心的水壓力強度p=γhg=0.0098h(MPa);h—區(qū)格中心的水頭,(m)

a,b---面板計算區(qū)格的短邊和長邊的長度(mm),從面板與主(次)梁的連接焊縫算起;α---彈塑性調(diào)整系數(shù),當b/a≤3時,α=1.5;當b/a＞3時,α=1.4。

[σ]---鋼材的抗彎容許應力（MPa）

因鋼面板的重量占閘門總重量的比例較大，為節(jié)約鋼材，鋼面板宜選用較薄的鋼板，但考慮銹蝕余量要求，一般不應小于6mm，通?？扇。?~16）mm。（二）面板參加主（次）梁整體彎曲時的強度計算在初步選定面板厚度，并在主（次）梁截面選定后，考慮到面板本身在局部彎曲的同時還隨主（次）梁受整體彎曲的作用，則面板為雙向受力狀態(tài)。故應按第四強度理論驗算面板的折算應力強度。⑴當面板的邊長比b/a＞1.5，且長邊b沿主梁軸線方向時，只需按下式驗算面板A點在上游面的折算應力：

式中σmy=ky

·pa2/t2;

σmx=μ·σmy，μ=0.3。⑵當面板的邊長比b/a≤1.5或面板長邊方向與主（次）梁垂直時，面板在B點下游面的應力值（σmx+σ0xB）較大，這時雖然B點下游面的雙向應力為同號（均受壓），但還是可能比A點上游面更早地進入塑性狀態(tài)，故應按下式驗算B點下游面在同號平面（壓）應力狀態(tài)下的折算應力強度：σ0xB---對應于面板驗算點（B點）主梁前翼緣的整體彎曲應力?？紤]整體彎應力沿面板寬度分布不均影響后，可按下式計算：σ0xB=（1.5ξ1-0.5）M/Wξ1---面板兼作主（次）梁前翼緣工作的有效寬度系數(shù)；（三）面板與梁格的連接計算

當水壓力作用下面板彎曲時，由于梁格之間相互移近受到約束，在面板與梁格之間的連接角焊縫將產(chǎn)生垂直于焊縫方向的側(cè)拉力。經(jīng)分析計算，每毫米焊縫長度上的側(cè)拉力可按下面的近似公式計算：

Nt=0.07tσmax

（N/mm2）

式中σmax---厚度為t的面板中的最大彎應力，σmax可取[σ]。此外，由于面板作為主梁的翼緣，當主梁彎曲時，面板與主梁之間的連接角焊縫還承受沿焊縫長度方向的水平剪力，主梁軸線一側(cè)的角焊縫每單位長度內(nèi)的剪力為T，則：

T=V*S/（2*I）

因此，面板與梁格連接角焊縫焊腳尺寸hf可近似按下式計算：[τfw]-----角焊縫的容許剪應力。面板與梁格的連接焊縫應采用連續(xù)焊縫，通常hf不宜小于6mm。

二、次梁設計

（一）次梁的荷載與計算簡圖

1、梁格為降低連接時次梁的荷載和計算簡圖

豎直次梁為簡支在主梁上的簡支梁；而水平次梁為支承在豎直次梁上的連續(xù)梁。水平次梁承受均布水壓力荷載，水壓力荷載作用范圍按面板區(qū)格的中線來劃分，則水平次梁所受的均布荷載為：

q=p（a上+a下）/2（N/mm）

（8-9）豎直次梁則承受水平次梁支座反力傳來的集中力R。2、梁格為齊平連接時次梁的荷載和計算簡圖水平次梁和豎直次梁同時支承著面板。面板傳給梁格的水壓力，按梁格夾角的平分線來劃分各梁所負擔的水壓力作用范圍。水平次梁的計算簡圖：⑴當水平次梁為在豎直次梁處斷開后再連接于豎直次梁時，水平次梁為簡支梁；⑵當采用實腹隔板兼作豎直次梁時，水平次梁為連續(xù)穿過實腹隔板預留的切孔并被支承在隔板上的連續(xù)梁。水平次梁的荷載集度q同式（8-9），計算簡圖分別如圖8-13（b）、（d）所示。豎直次梁為支承在主梁上的簡支梁。作用荷載有三角形分布水壓力荷載q上和q下及水平次梁的支座反力傳來的集中力R。（二）次梁的截面設計次梁一般受荷不大，常按軋成梁設計。計算步驟如下：⑴按上述次梁的計算簡圖計算次梁的最大內(nèi)力Mmax、V；

⑵按梁的彎應力強度條件求所需的截面模量

Wreq=Mmax/[σ]（8-11）根據(jù)此截面模量和滿足剛度要求的最小梁高hmin，選合適型鋼。⑶截面驗算

當次梁直接焊接于面板時，焊縫兩側(cè)的面板在一定的寬度（有效寬度）內(nèi)可以兼作次梁的翼緣參加次梁的抗彎工作。

面板參加次梁工作的有效寬度B可按下面兩式計算的較小值取用：①考慮面板兼作梁受壓翼緣而不至失穩(wěn)而限制的有效寬度：

②考慮面板沿寬度上應力分布不均而折算的有效寬度：

B=ξ1.b或B=ξ2.b

b=（b1+b2）/2ξ2,ξ2--有效寬度系數(shù)；

ξ1用于正彎矩區(qū)；

ξ2用于負彎矩區(qū)。三、主梁設計

（一）主梁的形式主梁是平面鋼閘門中的主要受力構(gòu)件。根據(jù)閘門的跨度和水頭大小，主梁可采用實腹式或桁架式。（1）跨度小水頭低的閘門，可采用制造方便的型鋼梁；（2）對于中等跨度的閘門（5~10m）常采用實腹式組合梁，為縮小門槽寬度和節(jié)約鋼材，也常采用變高度的主梁（圖8-16）；（3）對于大跨度的閘門，則宜采用桁架式主梁，以節(jié)約鋼材。（二）主梁的荷載和計算簡圖

主梁為支承在閘門邊梁上的單跨簡支梁。當主梁按等荷載原則布置時，每根主梁所受的均布荷載集度為：

q=P/n（kN/m）（8-17）

P-----閘門單位跨度上作用的總水壓力（kN/m）

n-----主梁的數(shù)目。如圖8-16（a），主梁的計算跨度L為閘門行走支承中心線之間的距離，即L=L0+2d（8-18）

L0----閘門的孔口寬度，d=（0.15~0.4）m（如圖8-16（a））如圖8-17，主梁的荷載跨度L1等于兩側(cè)止水間的距離。當側(cè)止水布置在閘門的下游面而面板設在上游面時，閘門側(cè)向水壓力將對主梁產(chǎn)生軸向壓力N。（三）主梁設計特點⑴承受閘門水平水壓力而產(chǎn)生水平彎曲；（2）其下翼緣兼作縱向聯(lián)結(jié)系的弦桿，還需承受一部分閘門自重產(chǎn)生的應力。故按主梁的水平水壓力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力選擇截面時，可按0.9[σ]計算。有關(guān)計算公式如右所示：

(3)當主梁直接與面板相連時，部分面板可兼作主梁上（前）翼緣的一部分參加其抗彎工作。面板的有效寬度取下列兩式的較小值：，

B=ξ1b式中bl-為主梁的上翼緣寬度，b--為每根主梁承受荷載面的寬度。(4)主梁的剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的驗算見第五章內(nèi)容。四、橫向聯(lián)結(jié)系和縱向聯(lián)結(jié)系的設計

（一）橫向聯(lián)結(jié)系

橫向聯(lián)結(jié)系（豎向聯(lián)結(jié)系）的作用：承受水平次梁（包括頂、底梁）傳來的水壓力，并將其傳給主梁。當水位變更等原因而引起各主梁的受力不均時，橫向聯(lián)結(jié)系可均衡各主梁的受力并且保證閘門在橫截面的剛度。

橫向聯(lián)結(jié)系的布置：應對稱與閘門的中心線，一般布置1~3道，數(shù)目宜取奇數(shù)，間距不宜超過4~5米，并通常按等間距布置。橫向聯(lián)結(jié)系的型式：應根據(jù)主梁的截面高度、間距和數(shù)目而定。主要有實腹隔板式和桁架式兩種。如圖8-19和圖8-20所示。實腹式隔板的計算簡圖如圖8-18（a）所示，通?？砂磮D8-18（b）所示簡化計算。

橫隔板的截面設計：橫隔板的應力一般都很小，其尺寸可按構(gòu)造要求及穩(wěn)定條件確定，隔板的截面高度與主梁的截面高度相同，其腹板厚度一般采用